考虑颗粒破碎的堆石体本构模型

对于高堆石坝而言,在高应力场作用下堆石颗粒将明显破碎,从而导致坝体变形率增加,因此,在高坝数值计算中必须考虑颗粒破碎的影响。传统的堆石体本构模型由于不能合理反映颗粒破碎的影响,导致计算变形与实测变形差别较大。在基于岩土破损力学二元介质模型概念的基础上,将堆石体视为结构体和破损带组成的二元介质,建立了颗粒破碎率和破损参数之间的关系,提出了可以考虑颗粒破碎的堆石体本构模型。并通过一个大型三轴剪切试验的算例,说明了该模型的合理性。     

堆石体流变对分期浇筑的面板变形影响研究

采用高围压下的幂函数流变本构模型对水布垭面板堆石坝进行考虑堆石流变的麻力、变形分析，其结果表明，考虑堆石流变后的坝体沉降和面板变形有明显的增加。由于堆石体流变变形的影响，对于分期填筑高混凝上面板坝，各期面板的浇筑时间与其下卧的堆石体临时断面填筑时间存在一个最短的时间间隔，在给定面板浇筑时间条件下，面板的最大浇筑高程与其下卧的堆石体临时断面顶部之间麻保持一最小高差，以防止面板与堆石体产生不协调变形，导致面板顶部与下卧的堆石体之间出现脱空现象。因此，必须根据面板坝的流变分析成成对堆石体填筑过程和面板浇筑过程进行优化，以减小面板的应力、变形。     

高混凝土面板堆石坝地震损伤机理研究

以紫坪铺面板堆石坝为例,基于堆石料的黏弹性模型和地震残余应变模型计算分析了高混凝土面板堆石坝的地震响应,并结合震害调查结果分析了高混凝土面板堆石坝的地震损伤机理。研究表明,输入地震加速度在坝顶附近和坝坡表面显著放大,呈现出显著的鞭梢效应,导致坝顶和下游坝坡上部堆石体松动滚落。地震导致大坝堆石体产生显著剪缩,坝体断面整体向内收缩,刚性混凝土面板与垫层料之间脱空,脱空后面板与垫层料之间的摩擦力大幅减小甚至消失,面板在自重和地震惯性力联合作用下向下滑动,致使面板水平施工缝发生错台,面板表面产生裂缝。地震还导致岸坡附近左右坝段堆石体向河谷中央位移,致使岸坡附近面板垂直接缝发生拉伸破坏,河床中部垂直接缝及附近混凝土面板发生挤压破坏。数值计算和震害调查结果均表明,高混凝土面板堆石坝的地震损伤现象主要与其堆石体地震残余变过大,以及堆石体与防渗系统之间变形不协调密切相关,故强震区修建高面板坝应尽可能提高堆石体压实密度,以减小坝体的地震残余变形。     

镶嵌式面板堆石坝应力应变特性研究

镶嵌式面板坝是解决高面板堆石坝安全性的一种新理念,结合某150 m面板坝工程,采用非线性平面有限元方法,系统研究了新坝型与常规面板坝应力应变特性的差异,并探讨了混凝土坝高度、顶面宽度和坡比对镶嵌式面板坝应力应变的影响。结果表明,镶嵌式面板坝与常规面板坝在堆石坝体沉降、周边缝变位等方面并没有显著改变,改变主要集中在堆石体上游向变形和面板的应力应变上,镶嵌式面板坝对堆石体上游向变形有一定抑制作用,由于缩短了面板长度,对面板静态应力应变状况有所改善,但对面板动态应力状况稍有不利。混凝土坝高度是控制性体型参数,需综合考虑其对堆石坝体、面板和混凝土坝自身应力变形以及接缝变位的影响,合理选择混凝土坝坝高。     

300m级超高面板堆石坝变形规律的研究

采用三维有限元数值分析方法研究了300m级超高混凝土面板堆石坝的变形规律。指出坝体分区、筑坝材料特性特别是流变特性是影响超高面板堆石坝变形性状的主要因素,要重视超高面板堆石坝上游部分坝体变形的鼓肚现象。建议了合理选择筑坝材料,适当提高下游堆石区填筑标准、全断面均衡填筑、上部1/3左右坝体采用变形模量较高的坝料,待坝体变形基本趋于稳定才浇筑面板以及考虑设置面板永久水平缝等工程措施来改善超高面板堆石坝的应力变形性状。     

接触面模型对面板与垫层间接触变形及面板应力的影响

对某在建面板堆石坝进行了三维有限元静、动弹塑性计算,分析了接触面模型对面板与垫层间接触面变形及面板应力的影响。面板与垫层接触面分别采用:双曲线(仅静力计算)、理想弹塑性及广义塑性接触面模型。结果表明:竣工期,3种模型计算的面板应力是基本一致的。满蓄期,3种模型计算的面板顺坡向应力分布规律基本一致,但面板坝轴向应力的分布规律和量值有较明显的差别。蓄水时广义塑性接触面模型计算的接触面的应力路径和剪切位移与双曲线和理想弹塑性存在较大的差异。在地震荷载下,理想弹塑性和广义塑性接触面模型计算的地震后坝体残余变形引起的面板顺坡应力基本一致,但面板坝轴向应力差别较大。理想弹塑性模型只有当应力达到峰值时才产生塑性变形,这样会低估接触面的残余变形,不能与坝体残余变形相协调,高估了坝体残余变形对面板应力的影响。广义塑性接触面模型能更好的反映三维条件下接触面的剪胀、剪缩、硬化、软化、循环残余变形及颗粒破碎特性,更符合实际情况。     

广义塑性模型适用性初探

为验证筑坝材料广义塑性模型在土石坝数值仿真分析中的适用性,以四川猴子岩高面板堆石坝为例,分别采用邓肯E-B模型和广义塑性模型对面板堆石坝进行三维数值模拟计算,并与现场监测数据进行对比。结果表明,竣工期广义塑性模型计算所得堆石体水平向位移及竖向沉降均小于邓肯E-B模型,坝体第一主应力计算结果基本一致,第三主应力E-B模型计算结果小于广义塑性模型;正常蓄水位期,水荷载作用下广义塑性模型预测的坝体水平向变形及面板挠度较邓肯E-B模型小,面板应力较邓肯E-B模型大。两种模型计算所得坝体变形及应力分布规律基本一致,广义塑性模型计算结果比邓肯E-B模型更接近现场监测数据。两种模型的数值计算与实测资料基本吻合。     

关于在面板堆石坝采用冲碾压实技术的探讨

高面板堆石坝堆石体密实度是影响坝体变形的主要因素,目前的振动碾碾压技术已不能将堆石体密实度进一步提高,而冲碾压实技术可以提高堆石的密实度,并可极大提高碾压速度.本文对冲碾技术在面板坝施工中的采用进行了研究和探讨,提出该技术是改进面板堆石坝坝体变形和施工技术的新途径的新思路.     

面板坝堆石料四参数非线性K-G模型研究

堆石料的广泛应用使得对其本构关系的研究至关重要。在热力学原理基础上,由吉布斯自由能函数出发,基于内变量热力学的理论基础,推导堆石料四参数非线性K-G模型,模型理论基础严谨,能够反映堆石料的非线性、压硬性、部分各向异性等主要工程性质,模型参数数量少并独立。针对室内等应力比试验和面板坝的二维应力应变数值模拟,验证了四参数K-G模型的合理性。依托目前世界最高混凝土面板堆石坝233 m的水布垭面板坝,进行了坝体的三维应力变形计算。结果表明：坝体的应力变形分布趋势合理,在填筑工况下,四参数K-G模型计算的垂直位移为2.02 m,较其他非线性模型更接近于实测值,因此四参数K-G模型可以用于面板坝堆石体的应力变形计算。     

修正邓肯模型及在面板堆石坝应力与变形分析中的应用

堆石料本构模型的选择对于合理预测堆石坝在施工和蓄水加载中的应力与变形性状是非常关键的,堆石坝的蓄水加载,导致单元应力状态发生改变,试验研究表明此路径堆石体的变形模量与施工加载路径下显著不同,简便而实用的邓肯模型能够反应土体的主要性质,并通过引入加载函数的加卸载准则来反映堆石体经历蓄水后刚度增加的模式,计算表明,该计算模式往往得到较大的变位,当卸载时直接采用卸载弹性模量,再加载时采用过渡的模式,并考虑加卸载对体积模量的影响,将此修正的邓肯模型用于板堆石坝的三维静力计算中,计算得到的面板的变形和应力结果相对较为合理。     

岩坡开挖形态对贴坡型堆石坝变形与应力的影响

 为充分利用地形优势并减少坝基开挖量,将混凝土面板堆石坝建于条形山脊上,依天然坡面分别贴岩坡填筑堆石料,使原山体成为坝体一部分,形成贴坡型混凝土面板堆石坝。贴坡型堆石坝在岩坡与堆石料接触部位易产生应力集中,以及下游坝体位移相对较大,易导致下游坝体整体滑动,影响大坝的安全。采用下游岩坡开挖成阶梯形态来改善坝体下游的应力与变形性状,并用有限元法数值分析对坝体下游阶梯型岩坡与直线型岩坡的应力与变形性状进行分析比较。论证坝体下游开挖成阶梯型岩坡替代直线型岩坡的技术合理性,建议贴坡型混凝土面板堆石坝采用下游岩坡开挖成阶梯型更为有利;同时探讨坝体下游坝坡采用阶梯开挖时坡角对坝体应力与变形的影响。     

响应面法及其在混凝土面板堆石坝可靠度分析中的应用

坝体材料的物理参数和作用于坝体的荷载是随机变量,坝体的应力和变形呈现出不确定性。因此,对混凝土面板堆石坝进行可靠度分析是正确、合理的。由于面板堆石坝构造复杂,堆石材料具有非线性特性,使得这类结构的可靠度分析十分困难。将可靠度计算的响应面法与面板堆石坝应力分析的有限元法相结合分析混凝土面板的可靠度,并导出了有关公式。可靠度计算采用二次响应面法,面板堆石坝应力与变形的计算采用三维非线性有限元法。对一混凝土面板堆石坝,分析了面板的抗裂和抗压可靠度,得出了可靠指标的变化规律。与其他可靠度分析方法相比,该方法在提高计算精度和工作效率方面具有一定的优越性。     

洪家渡200m级高面板堆石坝变形控制技术

针对已建200 m级高面板堆石坝出现的问题,结合洪家渡坝工程特点,开展了坝体变形特性及控制技术研究。探讨了200 m高坝变形规律与特点,从筑坝材料选择、堆石结构分区及填筑施工等方面进行坝体变形控制,提出了堆石预沉降控制量化指标,提高堆石压实度、坝内陡边坡整形与设增模碾压区、填筑施工总体平衡上升等变形控制集成技术,并应用于洪家渡坝,取得了坝体变形小、面板无结构性裂缝和坝体渗漏量小的良好效果。     

水布垭面板堆石坝施工与运行性状反演研究

 利用水布垭大坝建设阶段堆石料的现场大型试验成果,以及施工期、蓄水运行期原型大坝的实际变形监测资料,采用免疫遗传算法反演得到堆石的邓肯E-B模型参数和增量流变模型参数;对施工期面板的脱空现象、初蓄水时和蓄水运行期大坝的结构性态进行验证分析;大坝长期运行特性的计算预测结果表明,大坝结构运行是安全的,我国200 m级面板坝的筑坝技术已日趋成熟。但是,由于水荷载作用下面板下卧堆石应力增长,使得蓄水运行期大坝上游堆石区的流变增加更为明显,导致面板出现挤压现象,需要引起重视。     

覆盖层上面板堆石坝趾板与基础连接方式的研究

采用三维弹塑性有限元分析,对那兰水电站混凝土面板堆石坝趾板与基础的两种连接方式——刚性连接与柔性连接进行了比选及技术论证。不同连接方式下的坝体应力与变形计算结果表明:两种连接方式对坝体、坝基及混凝土面板的应力与变形影响很小;但对防渗墙和趾板的变形有较大影响,刚性连接下防渗墙与趾板的变形要小于柔性连接情况;两种连接方式下防渗墙和趾板的应力总体上没有很显著的差异,都在其应力允许范围内;两种连接方式下,面板周边缝变位差别较大,采用刚性连接方式时,面板周边缝有较大沉陷,甚至超过一般止水构件所能承受的变形能力。综合对比两种连接方式下的坝体应力、变形计算结果,建议采用柔性连接方式连接趾板与基础。     

高混凝土面板堆石坝设计理念探讨

在分析天生桥一级和阿瓜密尔帕两座200 m级高混凝土面板堆石坝出现工程问题的原因的基础上,指出目前坝体分区设计原则的不完全性,提出了面板堆石坝坝体分区设计新理念,即坝体分区设计除了遵循料源决定原则,水力过渡原则和开挖料利用原则以外,更要重视变形协调原则,提出了实现变形协调的4个途径,来确保高混凝土面板堆石坝的应力变形性状良好与大坝安全。